JP4340070B2 - 往復動機関用の冷却通路系統付きシリンダヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は独立請求項１の前文に従う往復動機関用の冷却通路系統付きシリンダヘッドと、このようなシリンダヘッドを有する往復動機関とに関する。
【０００２】
既知のユニフロー掃気式２行程ディーゼル機関は、特に大型ディーゼル機関のようなタイプが知られている。このような機関は、シリンダの下部領域に配置されたいわゆる掃気口を通じて空気がシリンダに入るので、シリンダヘッドに入口弁が無くても差し支えない。出口弁はシリンダヘッドの頭部位の中央領域においてシリンダ軸に配置され、燃焼ガスはこの弁を通じて排出することができる。対照的に、燃料噴射のための噴射ノズルは、シリンダの縦軸に対して斜めに延びているシリンダヘッド側方部にあるこれらのノズルに適した装着用開口部に配置される。従って、燃料噴射は中央で行われないで側方から行われる。それにもかかわらず、噴射された燃料を燃焼室にできるだけ均一に分布させるために、シリンダ１個当たりに複数の噴射ノズルを設け、典型的にはシリンダ１個当たり３個のノズルを設ける。出口弁を中央に配置するシリンダヘッドの利点はとりわけシリンダヘッドの冷却系統の設計と配置が特に簡単であるという事実にある。出口弁と噴射ノズルの配置に高度の対称が得られることは同様にシリンダヘッドの中央出口用開口部に対して高度の対称が運転中のシリンダヘッドの熱ひずみに得られる結果となる。従って、このようなシリンダヘッドの既知の冷却通路系統の形状寸法も対応して簡単である。
【０００３】
既知の中央出口弁付きシリンダヘッドが、第１（外方）環状空間から開始して出口用開口部の方へ延びている円錐形の表面を画成し、さらに複数の真っすぐな頂部冷却通路をシリンダヘッドの側方部位に有しており、隣接する２本の頂部冷却通路の間隔は出口用開口部に向かって狭くなっている。これに関連して、頂部冷却通路には冷却剤のための入口と出口とがあり、頂部冷却通路の入口は出口よりも出口用開口部から更に先に移設されている。頂部冷却通路と弁冷却通路を通じて継続的に冷却剤を送ることができるように、頂部冷却通路の各出口は弁冷却通路に開口している。これに関連して、弁冷却通路は実質的にシリンダの表面上またはわずかに傾斜する円すい形表面の上を出口用開口部に沿って一直線に延びて共通の第２（上部）環状空間に開口し、そこから冷却剤を再び内燃機関のラジエータへ送り返すことができる。噴射ノズルの装着用開口部はそれぞれ２本の頂部冷却通路の間で出口用開口部の回りの円周上に同心に配置されている。これに関連して、この円周の半径は対応する頂部冷却通路の間の装着用開口部に十分な中間的空間が得られるように選ばれている。
【０００４】
シリンダヘッドの簡単な形状寸法は大型ディーゼル機関の運転時シリンダヘッドに採用する温度プロファイルの特性にも当然反映されるから、既知の中央出口弁付きシリンダヘッドは、前述した冷却通路系統を使用すると、その高度に対称的な設計により特に簡単な方法で運転中の熱ひずみも制御できるということを特徴とする。これはたとえば、複雑に構成された温度勾配によるシリンダヘッドの非対称機械応力がもっぱら形状寸法によってまず大部分減少できることを意味する。しかしながら、既知の中央出口弁付きシリンダヘッドの概念は複数の噴射ノズルを使用することを必要とし、これによりこの配置は比較的複雑な方法で追加装置を装着しなければならず従って総体的にはかなり費用が高くなるので重大な欠点となる。
【０００５】
これらの欠点を除去するために、噴射ノズルを装着する開口部をシリンダヘッド頂部表面の中央に位置させて燃料の噴射にただ１本の噴射ノズルしか必要としないシリンダヘッドをＥＰ ０９５９２４０によって提案した。ここでは出口弁をシリンダの側方部位に配置する。このようなシリンダヘッドの利点は明白であり、ＥＰ ０９５９２４０で詳細に論じられている。しかしながら、シリンダヘッドの冷却のために上述した既知の概念は、中央に噴射ノズルを配置したシリンダヘッドに適応することは、もっぱら形状寸法の変更となるために限定的であり、簡単にはできない。出口弁を側方部位に配置するために、シリンダヘッドの熱ひずみにはかなりの非対称が発生する。たとえば、出口弁の付近では、噴射ノズルの付近などよりもはるかに高い熱が運転中に発生する。結果として、中央出口弁付きシリンダヘッドを使用する場合とは全く異なる要求が熱排出の種類に対してなされる。従って、中央噴射ノズル付きシリンダヘッドの冷却通路系統は完全に再設計する必要がある。
【０００６】
従って本発明の目的はユニフロー掃気付きの往復動機関用、特に２行程ディーゼル機関として設計された大型ディーゼル機関用に冷却通路系統を有するシリンダヘッドを提供し、その冷却通路系統には中央に配置された噴射ノズルとシリンダヘッドの側方部位に非対称に配置された出口弁とを有するシリンダヘッドの冷却に関する特別の要求が考慮されている。
【０００７】
この目的を満たす本発明の主題は独立請求項１の構成を特徴としている。
【０００８】
従属請求項は本発明の特に有利な実施例に関する。
【０００９】
故に、本発明に従って、シリンダヘッドの軸に沿ってピストンが往復可能に配置されている少なくとも１個のシリンダを有し、このシリンダヘッドには装着した状態でシリンダの燃焼室を画成する頂部表面と側方部表面とを含む往復動機関用の冷却通路系統付きシリンダヘッドを提案する。シリンダヘッドの頂部表面には、燃料を燃焼室内に導入することができる噴射ノズルを収容するための装着用開口部を設け、燃焼室から燃焼ガスを排出する出口弁を収容するために側方部位にシリンダヘッドの軸に関して配置された出口用開口部を設ける。更に、出口用開口部の方向に延びている複数の頂部冷却通路が設けられ、そのうちの少なくとも２本にはそれぞれ冷却剤のための入口ならびに出口を有し、さらに出口用開口部に沿って延びている弁冷却通路が設けられている。これに関連して、各頂部冷却通路の入口は出口よりも出口用開口部から更に先に移設するように配置され、また少なくとも１本の頂部冷却通路の出口は頂部冷却通路と弁冷却通路を通じて冷却剤を継続的に送ることができるように弁冷却通路に接続されている。更に、少なくとも１本のノズル冷却通路は装着用開口部に沿って延びていて、頂部冷却通路とノズル冷却通路とを通じて冷却剤を継続的に送ることができるように少なくとも１本の頂部冷却通路の出口はノズル冷却通路に接続されている。
【００１０】
本発明に従うシリンダヘッドには装着した状態のシリンダの燃焼室を画成する頂部位と側方部位が含まれる。これに関連して、シリンダヘッドの頂部位はピストンの端面の境界表面に対向する燃焼室の境界表面を形成する。頂部位には頂部位のほぼ中央に配置されている噴射ノズル装着用開口部がある。側方部位は頂部位に隣接しており、噴射ノズル装着用開口部の中央軸に対して斜めに配置されているので側方部位が鈍角で頂部位に開口する。側方部位には出口弁を収容するための出口用開口部がある。第１環状空間はシリンダヘッドの側方部位の周縁に配置されていてシリンダヘッドの冷却通路系統へ冷却剤を送るのに適している。
【００１１】
本発明に従うシリンダヘッドは実質上３部分で設計されかつ − 同様に複数の頂部冷却通路とそれに対応する数の弁冷却通路を有するとともに − 既知の冷却通路系統とは対照的に中央に配置されている噴射ノズルに沿って延在している特定の数のノズル冷却通路を追加的に有する冷却通路系統を特徴とする。これに関連して、入口側で第１環状空間に接続されている頂部冷却通路は側方部位の冷却に大いに適しているのに対して、出口用開口部に沿って延びている弁冷却通路は出口弁領域のシリンダヘッドの冷却用と出口弁自体の冷却用として事実上設けられている。ノズル冷却通路は装着用開口部に沿って延びており、従って噴射ノズルの冷却とシリンダヘッドの装着用開口部隣接領域の冷却とに特に適している。これに関連して、前述の頂部冷却通路のあるものは出口側で弁冷却通路に接続されているのに対して、他の残りの頂部冷却通路は出口側でノズル冷却通路に接続されている。ノズル冷却通路は出口側で共通のマニホルドに開口し、弁冷却通路は共通の第２環状空間に開口し、第２環状空間は接続管によってマニホルドに接続されている。
【００１２】
運転中は、第１環状空間から開始して、冷却剤はまず頭部冷却通路を通過して側方部位を冷却しそれから第１部回路において継続的に弁冷却通路、第２環状空間、マニホルド接続管に導くことができ、これと平行して第２部回路においてマニホルドのノズル冷却通路に導くことができ、それから冷却剤は往復動機関の放熱器へ送り返えされる
【００１３】
以下図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。示されているのは略図である。
【００１４】
図１は冷却通路系統２を有し本発明に従うシリンダヘッドを含む大型ディーゼル機関Ｇのシリンダ３の略図を示し、このシリンダヘッドは以下において総称的に参照数字１で示す。本発明に従うシリンダヘッド１はユニフロー掃気付き２行程ディーゼル機関として設計されている大型ディーゼル機関Ｇに特に適している。一般に複数のシリンダ３を有する大型ディーゼル機関Ｇの本質的な構成要素はそれ自身で公知である。
【００１５】
図１に示すように、このような大型ディーゼル機関Ｇのシリンダ３は装着した状態のシリンダ３の燃焼室７を画成する頂部位５と側方部位６とを含むシリンダヘッド１を有する。これに関連して、装着した状態のシリンダヘッド１の頭部位５はピストン端面４１に対向して配置されてシリンダヘッド１の軸Ａ−Ａに直角に位置する燃焼室７の境界表面を形成する。側方部位６は頂部位５に隣接し、頂部位５に開口するその上部は、図示のごとくシリンダヘッド１の軸Ａ−Ａに対して斜めに延びているので側方部位６が頭部位５に鈍角で開口する。ピストン４はシリンダ３の内部を軸Ａ−Ａに沿って行き来の移動が可能なように配置されている。ピストン４はそれ自体は公知の方法によってピストン棒でクランク軸（図示せず）に接続されている。
【００１６】
シリンダヘッド１には噴射ノズル９を収容するために屋根状部位５のほぼ中央に装着用開口部８が配置されている。図１に鎖線で示す花弁状で噴射ノズル９を通じて燃料をシリンダ３の燃焼室７に導く噴射装置（図示せず）に燃料管９１を介して噴射ノズル９が接続されている。出口弁１１を収容するために出口用開口部１０がシリンダヘッド１の側方部位６に配置されている。
【００１７】
シリンダヘッド１には、複数の頭部冷却通路１２を含み、その中の少なくとも２本はそれぞれ冷却剤のための入口１３と出口１４とを有し、事実上３部分からなる冷却通路系統２が冷却のために装着されている。これに関連して、頭部冷却通路１２の入口１３がそれに対応する出口１４よりも出口用開口部１０から更に先へ移設するようにシリンダヘッド１の各頂部位冷却通路１２が配置されている。更に、シリンダヘッド１には少なくとも１本の弁冷却通路１５と少なくとも１本のノズル冷却通路１６とが含まれマニホルド２１に接続されている出口用開口部２０が付く。
【００１８】
噴射ノズル９と出口用開口部１０とを有し本発明に従うシリンダヘッド１の断面を軸Ａ−Ａと軸Ｂ−Ｂによって規定される面Ｅに沿って概略的に図２に示す。その出口１４がノズル冷却通路１６に開口する頭部冷却通路１２が本図に明示されている。断面で示されかつその機能を後に詳述する接続管２２に接続されているマニホルド２１にノズル冷却通路１６の出口用開口部２０は開口している。
【００１９】
出口弁１１と噴射ゾズル９とを有し本発明に従うシリンダヘッド１の冷却通路系統２の各々の一例を図３と図４に縮尺図でない略図で示す。分かりやすくするために、噴射ノズル９を装着していない状態で示す。図３と図４から分かるように、一般に長さが異なる頂部冷却通路１２はすべてシリンダヘッド１の出口用開口部１０の方向にほぼ一直線に延びている。頂部冷却通路１２はその縦軸Ｌ−Ｌが円すい形表面で第１環状空間１７から開始して軸Ａ−Ａ，シリンダヘッド１の中心へと延びかつ任意の隣接する２本の頂部冷却通路の縦軸Ｌ−Ｌの間の角αが常にほぼ等しくなるようにしてシリンダヘッド１に配置する。また異なる対の縦軸Ｌ−Ｌの間の角αが異なるようにできることも当然考えうることである。
【００２０】
第１環状空間１７はシリンダヘッド１の内部の周縁に配置し供給装置１７１を介してシリンダ３の冷却装置（図示せず）に接続し、この供給装置１７１を通じて冷却剤をシリンダ３の冷却装置（図示せず）から第１環状空間１７へ供給することができる。これに関連して、第１環状空間１７が複数の供給装置１７１を有することは大いにありうるし、または供給装置１７１が環状開口部として第１環状空間１７に沿って部分的または全面的に延びることができる。
【００２１】
その出口１４が装着用開口部８に対してよりも出口用開口部１０に近い頂部冷却通路１２は出口１４を介して弁冷却通路１５に接続されている。これらの頂部冷却通路１２の各々は１本の弁冷却通路１５とそれぞれ連通することが好ましい。しかしながら、２本またはそれ以上のこのような屋根状部冷却通路１２が１本の同じ弁冷却通路１５に同時に接続することはかなり考えうることである。各弁冷却通路１５は出口用開口部１０の軸Ｖ−Ｖに対して特定の傾斜角で軸Ｖ−Ｖに沿って一直線に延びていることが好ましい。これに関連して、軸Ｖ−Ｖに対する傾斜角はすべての弁冷却通路１５に対して同じであることがありうる。たとえば、すべての弁冷却通路１５が共通の（仮想の）シリンダ部位に配置されるように軸Ｖ−Ｖに対する傾斜角が０度に達することがありうるし、傾斜角の値がこれと異なればすべての弁冷却通路１５が（仮想の）円すい形部位に配置される。たとえば運転中に発生する軸Ｖ−Ｖに対するシリンダ屋根状部の温度分布の非対称を補償するために２本またはそれ以上の弁冷却剤通路が軸Ｖ−Ｖに対して異なる傾斜角をもつことも当然考えることができる。特別な場合には１本またはそれ以上の弁冷却通路１５が出口用開口部１０に沿って一直線に延びないで軸Ｖ−Ｖに対して螺旋形またはその他の形状に延びることも考えることができる。
【００２２】
出口用開口部１０に沿って延びる弁冷却通路１５は頂部冷却通路１２の出口１４から開始して、第２環状空間１８に開口するのであるが、この空間は頂部冷却通路１２と弁冷却通路１５を順次流れる冷却剤を収容するのに適した空間であり、また大型ディーゼル機関Ｇのラジエータ（図示せず）へ冷却剤を戻すのに適したマニホルド２１ヘ接続管２２を介して再び冷却剤を供給することができる空間である。
【００２３】
その出口２４が出口用開口部１０に対してよりも装着用開口部８に近い頂部冷却通路１２は出口１４を介してノズル冷却通路１６に接続されている。これらの頂部冷却通路１２の各々は図３に示すとおりただ１本のノズル冷却剤通路１６に連通することが好ましい。しかしながら２本またはそれ以上のこのような屋根状部冷却通路１２がそれらの出口１４で１本の同じノズル冷却通路１５に同時に接続されることは大いに考えることができる。このような実施例を図４に示す。各ノズル冷却通路１６はシリンダヘッド１の軸Ａ−Ａに対して特定の角度で軸Ａ−Ａに沿って一直線に延びていることが好ましい。これに関連して、軸Ａ−Ａに対する角度はすべてのノズル冷却通路１６に対して同じかまたは異なることがありうる。特別な場合には１本またはそれ以上のノズル冷却通路１６が装着用開口部８に沿って一直線に延びていないで軸Ａ−Ａに対して螺旋形またはその他の形状に延びていることも考えうる。
【００２４】
装着用開口部８に沿って延びているノズル冷却通路１６は屋根状部冷却通路１２の出口１４から開始してマニホルド２１に開口し、このマニホルドは屋根状部冷却通路１２とノズル冷却通路１６を連続して流れる冷却剤を収容するのに適しており、このマニホルド２１を介して冷却剤を大型ディーゼル機関Ｇのラジエータ（図示せず）に再び導くことができる。
【００２５】
情況によってはいくつかの頂部冷却通路といくつかの弁冷却通路および／またはノズル冷却通路の両方をめくら穴として設計する、すなわち、対応する通路に冷却剤のための入口用開口部のみがあって出口用開口部がないようにするのが有利である。同様に、単位時間当たりの異なる量の冷却剤がシリンダヘッド内の異なる領域を流れるように異なる冷却通路の直径を異なるように設計し、これによてシリンダヘッドの非対称熱ひずみの補償を改善することも考えることができる。
【００２６】
故に、本発明に従うシリンダヘッドには、実質上の３部分設計であるために中央燃料噴射で側方配置出口弁のシリンダヘッドの冷却に対する要求に特によく適している冷却通路系統が含まれる。シリンダヘッドの高度に非対称な熱ひずみに対する理想的な考慮がノズル冷却通路の追加使用と異なる冷却通路の特別の形状寸法ならびに配置とによって行われ、これにより運転中に発生する局部的に異なる量の熱が温度勾配を効果的に減少するように冷却通路系統を通じて放出できるし、従ってシリンダヘッドの機械的応力を効果的に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリンダヘッドと更に本質的な部品を備えた大型ディーゼル機関のシリンダである。
【図２】冷却通路系統を断面で示した本発明に従うシリンダヘッドの実施例である。
【図３】出口弁と噴射ノズルを有する冷却通路系統の第１実施例の縮尺によらない図である。
【図４】図３に従う第２実施例である。

Claims (8)

1. 少なくとも１個のシリンダ（３）とシリンダ（３）内に設けられてシリンダ（３）の軸線（Ａ−Ａ）に沿って往復移動するピストン（４）とを有する往復動機関のための冷却通路系統（２）付きシリンダヘッド（１）であって、
   シリンダ（３）の燃焼室（７）を画成する頂部位（５）及び側方部位（６）と、
   燃料を燃焼室（７）に噴射する噴射ノズル（９）を収容するために頂部位（５）に形成された装着用開口部（８）と、
   燃焼ガスを燃焼室（７）から排出するための出口弁（１１）を収容するために側方部位（６）に形成された出口用開口部（１０）と、を具備し、
   前記冷却通路系統（２）が、
   側方部位（６）の外周部に形成されていて冷却材の供給装置（１７１）に接続された第１環状空間（１７）と、
   出口用開口部（１０）へ向かって延び、それぞれが入口（１３）と出口（１４）とを有していて入口（１３）が第１環状空間（１７）に接続されている複数の頂部冷却通路（１２）と、
   出口用開口部（１０）を包囲し、冷却剤を導出する通路（２１，２２）に接続されている第２環状空間（１８）と、
   それぞれが出口用開口部（１０）に沿って延び、かつそれぞれが１つの頂部冷却通路（１２）の出口（１４）に接続された入口と第２環状空間（１８）に接続された出口とを有する複数の弁冷却通路（１５）と、
   装着用開口部（８）に沿って延び、弁冷却通路（１５）に接続されていない頂部冷却通路（１２）の出口（１４）に接続された入口と、冷却材を導出する通路（２１，２２）に接続されている出口とを有する少なくとも１つのノズル冷却通路（１６）と、
   を備えることを特徴とするシリンダヘッド。
2. 請求項１に記載のシリンダヘッドにおいて、少なくとも２つの頂部冷却通路（１２）および／または２つの弁冷却通路（１５）がそれぞれの直径を異にするシリンダヘッド。
3. 請求項１または２に記載のシリンダヘッドにおいて、少なくとも２つの弁冷却通路（１５）および／または２つのノズル冷却通路（１６）がそれぞれの直径を異にするシリンダヘッド。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のシリンダヘッドにおいて、頂部冷却通路（１２）の縦軸（Ｌ−Ｌ）が円すい形表面上に配置され、第１環状空間（１７）から開始してシリンダヘッドの軸（Ａ−Ａ）へ向かって延びているシリンダヘッド。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のシリンダヘッドにおいて、少なくとも２つの頂部冷却通路（１２）の出口（１４）が接続通路（１９）を介して接続されているシリンダヘッド。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のシリンダヘッドにおいて、ノズル冷却通路（１６）の出口がマニホルド（２１）に接続されているシリンダヘッド。
7. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のシリンダヘッドにおいて、冷却材を導出する前記通路が、接続管（２２）を介して第２環状空間（１８）と連通するマニホルド（２１）を有するシリダヘッド。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載のシリンダヘッドを有する往復動機関。

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